CN106848598A - 一种基于编码超表面的低散射高增益法布里‑珀罗谐振腔天线 - Google Patents

一种基于编码超表面的低散射高增益法布里‑珀罗谐振腔天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于编码超表面的低散射高增益法布里‑珀罗谐振腔天线，该天线由上下两层反射板构成，其中，上层反射板的上表面为编码超表面，下表面为部分反射表面；下层反射板为由若干个工字型单元构成的反射地板；所述下层反射板的中心位置处有一个微带贴片天线，作为激励源。本发明在保证天线良好辐射性能的情况下有效地降低了RCS。天线整体结构紧凑，剖面较低，制造简单，操作方便，和传统采用吸波技术降低F‑P天线RCS相比具有较大优势，其高增益特性在基站、卫星通信及汽车雷达等实际场合中具有很高的应用前景。

Description

一种基于编码超表面的低散射高增益法布里-珀罗谐振腔 天线
技术领域
本发明涉及一种基于编码超表面的低散射高增益法布里-珀罗谐振腔天线，属于天线和人工电磁材料领域。
背景技术
近年来，如何使天线以紧凑的结构实现高定向性，已经成为天线领域的一个主要问题。传统的相控阵可以实现高定向性辐射，但是其造价昂贵，馈电网络复杂且损耗大。而反射阵和传输阵天线也可满足高增益需求，但是一般需要外部馈源来激励，这就导致了天线整体剖面的增加。然而，法布里-珀罗谐振腔天线凭借紧凑的结构实现高增益，引起了学者们的广泛研究。
同时，在隐身技术和雷达探测领域，如何减小辐射天线的RCS也引起了广泛的关注。天线作为通信系统中关键的设备，如何在不牺牲天线辐射性能的前提下有效地减少RCS成为一个急需解决的问题。迄今为止，已经出现很多降低目标RCS的方法，其中主要有相位对消技术、目标表面塑形、电磁带隙或频率选择表面结构吸收和雷达吸波材料等。
新型人工电磁材料(亦称超材料Metamaterials)，是将具有特定几何形状的宏观基本单元周期或非周期性地排列，或者植入到基体材料体内(或表面)所构成的一种人工材料。电磁超表面和传统意义材料的区别在于用宏观尺寸单元代替了原来微观尺寸单元(原子或分子)。尽管二者的单元尺寸相差很大，但是它们对外加电磁波的响应都是通过基本单元谐振系统与外加电磁场的相互作用来体现的。近年来，为了减少体超材料的厚度及构造复杂性，单层平面结构的超表面(Metasurfaces)也广泛地用于调控电磁波。
崔铁军教授课题组在2014年提出了编码超材料的概念，采用数字编码的方式实现对电磁波的实时调控，区别于基于等效媒质理论的传统超材料。例如，1-比特编码超材料是两个数字单元“0”和“1”(分别对应0和π的相位响应)按照一定的编码序列构成；而2-比特编码超材料是由四个数字单元“00”，“01”，“10”和“11”(分别对应0，π/2,π和3π/2的相位响应)。这种编码超材料可以通过设计编码序列来实现对电磁波的调控，可用于实现异常反射和异常折射，甚至可以设计随机的相位分布，使得入射波束被随机散射到各个方向，形成漫反射，从而有效降低目标的RCS，实现隐身。
由于编码超材料对电磁波简单高效地调控，本发明中采用随机编码分布的超表面与传统的法布里-珀罗谐振腔天线有机地结合，在实现天线高增益辐射的同时降低天线的RCS。所以本发明具有很高的应用价值。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于编码超表面的低散射高增益法布里-珀罗谐振腔天线，以解决传统高增益法布里-珀罗谐振腔天线的散射问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于编码超表面的低散射高增益法布里-珀罗谐振腔天线，该天线由上下两层反射板构成，其中，上层反射板的上表面为编码超表面，下表面为部分反射表面；下层反射板为由若干个工字型单元构成的反射地板；所述下层反射板的中心位置处有一个微带贴片天线，作为激励源。
所述上层反射板由若干个基本单元组成，每个基本单元从上至下依次由上层金属方片、微波介质板和下层金属方片组成，若干个上层金属方片组成编码超表面，若干个下层金属方片组成部分反射表面。
所述编码超表面是由若干个4种不同尺寸的上层金属方片随机排布组成。
所述部分反射表面是由若干个相同尺寸的下层金属方片构成。
所述下层反射板为由若干个各向异性的工字型单元构成的反射地板。
有益效果：与现有技术相比，本发明的优势在于：
1、本发明所提出的一种低散射的法布里-珀罗谐振腔天线，与传统的法布里-珀罗谐振腔天线相比，在一个宽带内呈现较低的RCS。
2、本发明所采用的编码超表面具有结构简单轻便的特点，与现有采用焊接电阻的吸波表面相比，介质板厚度较薄，且不用焊接数百个电阻。在一定程度上避免了由电阻损耗带来的增益损失，很好地保持了天线的辐射性能。
3、本发明摒弃了传统采用等效媒质参数对超表面及各种相应器件进行分析与设计的方案，采用离散的单元编码形式，利于后期优化超表面的随机编码排布，从而获得最佳的RCS缩减。
4、本发明同时具备结构紧凑，制造简单，操作方便等优点，其两层反射板采用常规的印制电路板工艺即可制作。
附图说明
图1a为基于编码超表面的低散射高增益法布里-珀罗谐振腔天线的原理示意图；
图1b为基于编码超表面的低散射高增益法布里-珀罗谐振腔天线的结构示意图；
图2a为基本单元的结构示意图；
图2b为优化的4种不同金属方片构成的随机编码超表面；
图3a为四种单元的结构示意图，
图3b为4种单元上表面的反射系数幅度和相位随频率变化曲线；
图3c为4种单元下表面的反射系数幅度和相位随频率变化曲线；
图4a为工字型单元的结构示意图；
图4b为由工字型单元构成的反射地板；
图4c为工字型单元的反射幅度和相位随频率变化曲线；
图5a和5b为10GHz频点处基于编码超表面的法布里-珀罗谐振腔天线辐射方向图；其中，图5a为E面方向图；图5b为H面方向图；
图6a和6b为参考天线和基于编码超表面的法布里-珀罗谐振腔天线的单站RCS随频率变化曲线；其中，图6a为横电(TE)波垂直照射下的单站RCS；图6b为横磁(TM)波垂直照射下的单站RCS；
图7a-7d为10GHz频点处参考天线和基于编码超表面的法布里-珀罗谐振腔天线的双站RCS方向图；其中，图7a为TE波垂直照射下，天线xoz面的双站RCS方向图；图7b为TE波垂直照射下，天线yoz面的双站RCS方向图；图7c为参考天线的三维双站RCS方向图；图7d为基于编码超表面的法布里-珀罗谐振腔天线的三维双站RCS方向图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
这里将在X波段具体实例化本发明所提到的基于编码超材料的法布里-珀罗(Fabry-Perot)谐振腔天线。图1a为本发明的原理示意图，图1b为本发明的天线的结构图，该天线由上下两层反射板构成，其中，上层反射板5的上表面为编码超表面1，下表面为部分反射表面2；下层反射板3为由若干个工字型单元构成的反射地板；下层反射板3的中心位置处印刷有一个微带贴片天线4，作为激励源。编码超表面1将入射电磁波漫反射到空间各个方向上，实现天线整体RCS的缩减。部分反射表面2与下层反射板3构成一个法布里-珀罗谐振腔。天线由地板中心印刷的微带贴片天线4馈电，电磁波在腔体中多次反射，形成高定向性辐射。在本发明的一个实施例中，上下两层反射板尺寸分别为110mm×110mm×2mm和110mm×110mm×1.6mm。
为了获得理想的RCS缩减，编码超表面的上表面是由随机排布的4种不同大小的金属方片构成。如图2a所示，上层反射板5由若干个基本单元组成，每个基本单元从上至下依次由上层金属方片51、微波介质板52和下层金属方片53组成，若干个上层金属方片51组成编码超表面1，若干个下层金属方片53组成部分反射表面2；上层的金属方片宽度为wc，下层的金属方片宽度为w＝11.7mm；中间层介质板(介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009)的厚度为h1＝2mm，单元周期长度p＝12mm，金属层厚度t＝0.018mm；图2b为优化的4种不同金属方片构成的随机编码超表面。
图3a-3c展示了2-比特编码超表面的4种基本单元“00”，“01”，“10”和“11”，其上表面的相位响应分别为-135°，-45°,45°和135°。图3a中所示的4种基本单元的上层金属片宽度wc分别9.6mm、8.1mm、7.3mm、4.6m。基于相位对消原理，随机排布这四种单元就可以在宽带内实现天线RCS缩减。需要说明的是，4种单元的下表面反射幅度和相位几乎保持一致，可统一取值为0.98和-167°。下表面相对稳定的反射辐射和相位为构造随机编码超表面提供了基础，同时保证了天线的高增益特性。
图4a-4c展示了一种各向异性的工字型单元构成的反射地板，其在TE和TM波照射下分别呈现-55°和137°的相位响应。图4a为工字型单元的结构示意图，其结构参数为h2＝1.6mm、wi＝0.5mm、dy＝6.6mm、dx＝3.24mm,、px＝8mm、py＝10mm。当微带天线激励TM模式，部分反射表面的反射相位为-167°，工字型地板的反射相位为137°，根据传统法布里-珀罗谐振天线的谐振条件可以计算出两层反射板之间的距离H＝13.7mm，最终优化为15mm。
实现和仿真结果显示，随机的编码超表面可以在8GHz到12GHz的宽频带内实现良好的RCS缩减，在整个X波段内RCS平均降低了9.2dB；在工作频点10GHz处，TE极化波照射下的RCS缩减为16dB，而TM极化波照射下的RCS缩减仅有6dB。这是因为在天线的工作频点处，TM极化垂直入射的波进入天线内部仍满足天线的谐振条件，在边射方向上形成一个较大的反射波束，影响了RCS缩减效果。但是由于各向异性工字型地板的存在，若垂直入射波为TE极化，此时反射地板对TE波的反射相位呈现-55°，破坏了腔体的谐振条件。最终，在天线的工作频点处可以实现对TE极化入射波的低散射，获得了良好的RCS缩减。在TE波垂直照射下，最优化随机排布的编码超表面可以获得良好的单站和双站RCS，将入射电磁波漫反射到上半空间。本发明中的天线获得良好RCS缩减的同时，也保持了极佳的辐射性能。此天线在10GHz处的实际增益值为19.1dBi，计算得到口径效率为47％，3dB波瓣宽度为±6.5°，结果表明了所设计的天线实现了很好的定向性辐射。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于编码超表面的低散射高增益法布里-珀罗谐振腔天线，其特征在于：该天线由上下两层反射板构成，其中，上层反射板(5)的上表面为编码超表面(1)，下表面为部分反射表面(2)；下层反射板(3)为由若干个工字型单元构成的反射地板；所述下层反射板(3)的中心位置处有一个微带贴片天线(4)，作为激励源。
2.根据权利要求1所述的基于编码超表面的低散射高增益法布里-珀罗谐振腔天线，其特征在于：所述上层反射板(5)由若干个基本单元组成，每个基本单元从上至下依次由上层金属方片(51)、微波介质板(52)和下层金属方片(53)组成，若干个上层金属方片(51)组成编码超表面(1)，若干个下层金属方片(53)组成部分反射表面(2)。
3.根据权利要求1或2所述的基于编码超表面的低散射高增益法布里-珀罗谐振腔天线，其特征在于：所述编码超表面(1)是由若干个4种不同尺寸的上层金属方片随机排布组成。
4.根据权利要求1或2所述的基于编码超表面的低散射高增益法布里-珀罗谐振腔天线，其特征在于：所述部分反射表面(2)是由若干个相同尺寸的下层金属方片构成。
5.根据权利要求1或2所述的基于编码超表面的低散射高增益法布里-珀罗谐振腔天线，其特征在于：所述下层反射板(3)为由若干个各向异性的工字型单元构成的反射地板。
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